KR102200097B1 - 전동식 파워 스티어링 장치의 조향 기어비 보상 시스템 및 방법 - Google Patents

전동식 파워 스티어링 장치의 조향 기어비 보상 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 조향 기어비 변동량을 예측하여 좌우 조향 기어비 대칭 보상이 이루어질 수 있도록 한 전동식 파워 스티어링 장치의 조향 기어비 보상 시스템 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 각종 조타인자로 인하여 기어비 대칭축을 중심으로 좌측 조향 기어비와 우측 조향 기어비가 달라지는 점을 감안하여 현재 조향 기어비를 계측하고, 설계 사양에 따른 본래 조향 기어비를 계산하여, 현재 조향 기어비와 본래 조향 기어비 간의 차이에 대한 기어비 대칭 보상을 실시함으로써, 스티어링 휠의 좌우 조타감을 일정하게 조절할 수 있도록 한 전동식 파워 스티어링 장치의 조향 기어비 보상 시스템 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

전동식 파워 스티어링 장치의 조향 기어비 보상 시스템 및 방법{System and method for steering gear ratio compensation of motor driven power steering}
본 발명은 전동식 파워 스티어링 장치의 조향 기어비 보상 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 조향 기어비 변동량을 예측하여 좌우 조향 기어비 대칭 보상이 이루어질 수 있도록 한 전동식 파워 스티어링 장치의 조향 기어비 보상 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근에 출시되는 차량에는 주행속도에 따른 조타력을 변화시키기 위해 전동식 파워스티어링 장치(MDPS: motor driven power steering)가 탑재되고 있다.
상기 전동식 파워스티어링 장치는 차속 감응형 파워스티어링 장치로서, 전동식 파워스티어링 모듈의 ECU가 차량속도에 따라 조향각 및 모터 움직임을 제어하면서 최적의 조향감을 운전자에게 제공하는 기능을 한다.
상기 전동식 파워스티어링 장치는 모터의 회전력으로 조향 파워를 어시스트(assist)하는 장치로서 첨부한 도 1에서 보듯이, 조향을 위한 동력 발생용 모터(10)와, 모터(10)의 출력축과 연결되는 동시에 스티어링 휠쪽과 연결되는 기어박스(20)와, 차속 등을 입력받아 모터의 구동을 제어하는 ECU(30)와, 기어박스(20)로부터 회전동력을 전달받아 타이어를 조향시키는 스티어링 기어부(40) 등을 포함하여 구성된다.
이러한 전동식 파워스티어링 장치의 조립 과정 및 사용 과정에서, 각종 조향 인자(하드웨어 칫수, 조향 위상각, 조립각, 등)의 공차가 발생하면, 조향 기어비 대칭축이 변동되고, 이로 인하여 좌우 조타감 차이로 인한 이질감이 발생하는 문제점이 있다.
이때, 상기 조향 기어비는 운전자가 스티어링 휠을 조향시켰을 때 타이어가 조향될 때까지의 스티어링 장치에 포함된 기어들의 전체 기어비를 말하고, 상기 기어비 대칭축은 도 2에서 보듯이 스티어링 휠이 중립(0°)에 있을 때 스티어링 휠을 좌측을 조향할 때 작용하는 좌측 조향 기어비과 우측으로 조향할 때 작용하는 우측 조향 기어비 간의 경계부를 말한다.
또한, 상기 기어비 대칭축이 변동되는 의미는 예를 들어, 기어비 대칭축을 중심으로 좌측 조향 기어비와 우측 조향 기어비가 대칭을 이루는 것(도 2의 (a) 도면 참조)과 달리, 기어비 대칭축을 중심으로 좌측 조향 기어비와 우측 조향 기어비가 위상각에 따라 비대칭을 이루게 되는 것(도 2의 (b) 참조)을 말한다.
좀 더 상세하게는, 상기 전체 조향 기어비의 기어비 대칭축의 기준은 도 2의 (a)에서 보듯이, 스티어링 휠의 회전각 0° 근방에 있는 기어 골의 위치로 정의되며, 그 이유는 0°에서 토탈 조향기어비의 대칭을 맞추고 그 형상은 골로 맞추는 것을 목표로 하기 때문이며, 또한 기어비 대칭축이 비대칭을 이루는 것은 스티어링 휠의 회전각 0° 근방에 있는 기어 골의 위치가 가변된 것으로 정의할 수 있다.
이와 같이, 상기 기어비 대칭축이 각종 조향 인자(하드웨어 칫수, 조향 위상각, 조립각, 등)의 공차로 인하여 변동되면, 좌우 조타감 차이로 인한 이질감이 발생하는 문제점이 있다.
다시 말해서, 상기 기어비 대칭축을 중심으로 좌측 조향 기어비와 우측 조향 기어비가 비대칭을 이루게 되면, 스티어링 휠의 중립(0°) 위치에서 조향감이 달라지게 되고, 이에 운전자는 조타감 차이로 인한 이질감을 느끼게 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 각종 조타인자로 인하여 기어비 대칭축을 중심으로 좌측 조향 기어비와 우측 조향 기어비가 달라지는 점을 감안하여 현재 조향 기어비를 계측하고, 설계 사양에 따른 본래 조향 기어비를 계산하여, 현재 조향 기어비와 본래 조향 기어비 간의 차이에 대한 기어비 대칭 보상을 실시함으로써, 스티어링 휠의 조향감을 일정하게 조절할 수 있도록 한 전동식 파워 스티어링 장치의 조향 기어비 보상 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 조향 기어비 보상을 위한 입력요소로서 조향 각속도를 측정하는 조향 각속도 센서 및 모터 각속도를 측정하는 모터 위치센서; 상기 조향 각속도 센서와 모터 위치센서의 신호를 기반으로 현재 조향 기어비를 계산하고, 계산된 현재 조향 기어비와 설계 사양에 따른 본래 조향 기어비를 비교하여 그 차이를 구하는 조향 기어비 보상부; 및 상기 조향 기어비 보상부에서 구해진 현재 조향 기어비와 본래 조향 기어비 간의 차이를 입력받아 스티어링 휠의 조타감을 튜닝하여 출력하는 조타감 튜닝부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 조향 기어비 보상 시스템을 제공한다.
또한, 상기 조향 기어비 보상을 위한 입력요소로서, 모터 토크를 측정하여 조향 기어비 보상부에 입력하는 토크센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 조향 기어비 보상부는 토크센서에서 측정된 현재 모터 토크와 설계 사양에 따른 본래 모터 토크 간의 차이를 계산하여 조타감 튜닝부에 더 보상 입력하는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 상기 조타감 튜닝부는 현재 모터 토크와 설계 사양에 따른 본래 모터 토크 간의 차이를 기반으로 스티어링 휠의 조타감을 튜닝하여 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 조향 기어비 보상을 위한 입력요소로서 조향 각속도 및 모터 각속도를 측정하는 단계와; 측정된 조향 각속도 및 모터 각속도 신호를 기반으로 현재 조향 기어비를 계산한 후, 계산된 현재 조향 기어비와 설계 사양에 따른 본래 조향 기어비를 비교하여 그 차이를 조타감 튜닝부에 보상 입력하는 조향 기어비 보상 단계와; 조타감 튜닝부에 입력된 현재 조향 기어비와 본래 조향 기어비 간의 차이를 기반으로 스티어링 휠의 조타감을 튜닝하여 출력하는 조타감 튜닝 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 조향 기어비 보상 방법을 제공한다.
또한, 상기 조향 기어비 보상 단계에서, 조향 기어비 보상을 위한 입력요소로서 현재 모터 토크가 입력되면, 현재 모터 토크와 설계 사양에 따른 본래 모터 토크 간의 차이를 구하여 조타감 튜닝부에 더 보상 입력하는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 상기 조타감 튜닝 단계에서 조타감 튜닝부는 현재 모터 토크와 설계 사양에 따른 본래 모터 토크 간의 차이를 기반으로 스티어링 휠의 조타감을 튜닝하여 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 현재 조향 기어비와 설계 사양에 따른 본래 조향 기어비 간의 차이에 대한 조향 기어비 대칭 보상을 실시하여, 스티어링휠 회전 0°에서의 조향감을 일정하게 조절할 수 있다.
둘째, 현재 모터 토크와 설계 사양에 따른 본래 모터 토크 간의 차이를 조향 기어비 대칭 보상에 더 활용하여, 스티어링휠 회전 0°에서의 조향감을 일정하게 조절할 수 있고, 그에 따라 스티어링 휠의 일정한 좌우 조타감을 제공할 수 있다.
도 1은 전동식 파워스티어링 장치의 구성을 나타낸 개략도,
도 2는 전동식 파워스티어링 장치의 조향 기어비 대칭축 및 이의 변동을 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명에 따른 전동식 파워 스티어링 장치의 조향 기어비 보상 시스템을 나타낸 구성도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 전동식 파워 스티어링 장치의 조향 기어비 보상 시스템을 나타낸 구성도이다.
본 발명은 조향 기어비 대칭축 변동에 따라 스티어링 휠의 좌측 조향시 기어비와 우측 조향시 기어비가 비대칭인 것을 측정하여 조향 기어비 보상을 실시하고, 조향 기어비 보상에 의거 최종적으로 스티어링 휠의 조향감을 일정하게 조절할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
제1실시예
본 발명의 제1실시예는 조향 기어비 보상을 위한 입력요소로서 조향각을 측정하는 조향 각속도 센서 및 모터 각속도를 측정하는 모터 위치센서를 이용한 점에 특징이 있다.
먼저, 차량 조립 라인에서 실차 조립 완료 후, 스티어링 휠을 좌측 및 우측으로 풀턴(full turn)시켜서 스티어링 조향각 및 모터 각속도를 측정한다.
즉, 조향 기어비 보상을 위한 입력요소로서 조향 각속도 센서(12)에서 각각 스티어링 휠의 조향 각속도를 측정하는 동시에 모터 위치센서(14)에서 전동식 파워스티어링 장치(MDPS: motor driven power steering)를 구성하는 모터의 각속도를 측정한다.
이렇게 측정된 조향 각속도 및 모터 각속도 신호는 조향 기어비 보상부(20)로 입력된다.
상기 조향 기어비 보상부(20)는 조향 각속도 및 모터 각속도 신호를 기반으로 현재 조향 기어비를 계산하고, 계산된 현재 조향 기어비와 설계 사양에 따른 본래 조향 기어비를 비교하여 그 차이를 구한다.
보통, 조향 기어비는 스티어링 휠 조향각을 타이어 조향각으로 나눈 값으로 계산되지만, 타이어 조향각은 타이어 마찰력 등으로 인하여 정확하게 구하는데 어려움이 있다.
이에, 상기 조향 기어비 보상부(20)는 조향 각속도 및 모터 각속도 신호를 기반으로 현재 조향 기어비를 계산하되, 조향 각속도를 모터 각속도로 나눈 값으로 계산한다.
실제로, 스티어링 조향각을 타이어 조향각으로 나눈 조향 기어비와, 스티어링 조향 각속도를 모터 각속도로 나눈 조향 기어비를 서로 비교하면, 거의 오차없이 동일한 값을 나타낸다.
이때, 상기 조향 기어비 보상부(20)에는 설계 사양에 따른 본래 조향 기어비 즉, 기어비 대칭축을 중심으로 좌측 조향 기어비와 우측 조향 기어비가 대칭을 이루는 조향 기어비가 데이타화 되어 미리 저장된다.
이에, 상기 조향 기어비 보상부(20)는 위와 같이 측정된 조향 각속도 및 모터 각속도 신호를 기반으로 계산한 현재 조향 기어비와, 미리 저장된 설계 사양에 따른 본래 조향 기어비를 상호 비교하여 그 차이를 구한다.
이어서, 상기 조향 기어비 보상부(20)에서 구해진 현재 조향 기어비와 본래 조향 기어비 간의 차이가 조타감 튜닝부(30 : 예를 들어, 설계 사양 기반의 MDPS 튜닝맵)로 입력되면, 조타감 튜닝부(30)는 스티어링 휠의 조타감을 튜닝하여 출력한다.
따라서, 상기 조타감 튜닝부(30)에서 튜닝되어 출력되는 조타감(effort)을 바탕으로 전동식 스티어링 장치(MDPS: motor driven power steering)가 아래와 같이 작동하게 된다.
예를 들어, 상기 기어비 대칭축이 (-)방향으로 변동된 경우, 즉 기어비 대칭축을 중심으로 좌측 조향 기어비가 작고, 우측 조향 기어비가 큰 경우에는 운전자가 작은 힘(작은 조타력)으로 스티어링 휠을 좌측으로 조향 가능하지만, 스티어링 휠을 우측으로 조향시킬 때는 큰 힘(큰 조타력)이 들게 된다.
결국, 상기 기어비 대칭축이 비대칭인 경우 스티어링 휠 회전 0°에서의 조향감이 달라지게 된다.
이에, 스티어링 휠을 좌측으로 조향시킬 때에는 상기 조타감 튜닝부(30)에서 튜닝되어 출력되는 조타감(effort, 차속에 따른 스티어링 휠 무게감)이 저감되어 출력되고, 스티어링 휠을 우측으로 조향시킬 때에는 상기 조타감 튜닝부(30)에서 튜닝되어 출력되는 조타감(effort, 차속에 따른 스티어링 휠 무게감)이 증대되어 출력되도록 함으로써, 스티어링 휠 회전 0°에서의 조향감이 달라지는 것을 방지할 수 있고, 그에 따라 스티어링 휠의 좌우 조타감을 일정하게 구현할 수 있다.
반면, 상기 기어비 대칭축이 (+)방향으로 변동된 경우, 즉 기어비 대칭축을 중심으로 좌측 조향 기어비가 크고, 우측 조향 기어비가 작은 경우에는 운전자가 작은 힘(작은 조타력)으로 스티어링 휠을 우측으로 조향 가능하지만, 스티어링 휠을 좌측으로 조향시킬 때는 큰 힘(큰 조타력)이 들게 된다.
이에, 스티어링 휠을 우측으로 조향시킬 때에는 상기 조타감 튜닝부(30)에서 튜닝되어 출력되는 조타감(effort, 차속에 따른 스티어링 휠 무게감)이 저감되어 출력되고, 스티어링 휠을 좌측으로 조향시킬 때에는 상기 조타감 튜닝부(30)에서 튜닝되어 출력되는 조타감(effort, 차속에 따른 스티어링 휠 무게감)이 증대되어 출력되도록 함으로써, 마찬가지로 스티어링 휠 회전 0°에서의 조향감이 달라지는 것을 방지할 수 있고, 그에 따라 스티어링 휠의 좌우 조타감을 일정하게 구현할 수 있다.
제2실시예
본 발명의 제2실시예는 조향 기어비 보상을 위한 입력요소로서 전동식 파워스티어링 장치(MDPS: motor driven power steering)를 구성하는 모터의 토크 변화를 이용한 점에 특징이 있다.
다시 말해서, 본 발명의 제2실시예는 전동식 파워스티어링 장치(MDPS)의 구성 중 모터가 운전자가 스티어링 휠을 조향시킬 때의 조타력을 보조할 때, 기어비 대칭축이 변동된 경우 좌측 조향 및 우측 조향시 모터 토크가 서로 다르게 출력되는 점을 이용하여, 조향 기어비 보상에 따른 스티어링 휠의 좌우 조타감을 일정하게 구현할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 먼저 차량 조립 라인에서 실차 조립 완료 후, 스티어링 휠을 좌측 및 우측으로 풀턴(full turn)시키는 조향시, 전동식 파워스티어링 장치(MDPS: motor driven power steering)를 구성하는 모터의 토크를 토크 센서(16)에서 측정한다.
이렇게 측정된 모터 토크는 조향 기어비 보상부(20)로 입력된다.
상기 조향 기어비 보상부(20)는 모터 토크 신호를 기반으로 현재 모터 토크와 설계 사양에 따른 본래 모터 토크 간의 차이를 구한다.
이때, 상기 조향 기어비 보상부(20)에는 설계 사양에 따른 본래 모터 토크 즉, 기어비 대칭축을 중심으로 좌측 조향시 모터 토크와, 우측 조향시 모터 토크가 데이타화 되어 미리 저장된다.
이에, 상기 조향 기어비 보상부(20)는 위와 같이 측정된 현재 모터 토크와, 미리 저장된 설계 사양에 따른 본래 모터 토크 간을 상호 비교하여 그 차이를 구한다.
이어서, 상기 조향 기어비 보상부(20)에서 구해진 현재 모터 토크와 설계 사양에 따른 본래 모터 토크 간의 차이가 조타감 튜닝부(30 : 예를 들어, 설계 사양 기반의 MDPS 튜닝맵)로 입력되면, 조타감 튜닝부(30)는 스티어링 휠의 조타감을 튜닝하여 출력한다.
따라서, 상기 조타감 튜닝부(30)에서 튜닝되어 출력되는 조타감(effort)을 바탕으로 전동식 스티어링 장치(MDPS: motor driven power steering)가 아래와 같이 작동하게 된다.
예를 들어, 상기 기어비 대칭축이 (-)방향으로 변동된 경우, 즉 기어비 대칭축을 중심으로 좌측 조향시 모터 토크가 크고, 우측 조향시 모터 토크가 작은 경우에는 운전자가 작은 힘(작은 조타력)으로 스티어링 휠을 좌측으로 조향 가능하지만, 스티어링 휠을 우측으로 조향시킬 때는 큰 힘(큰 조타력)이 들게 된다..
결국, 상기 기어비 대칭축이 비대칭인 경우 스티어링 휠 회전 0°에서의 조향감이 달라지게 된다.
이에, 스티어링 휠을 좌측으로 조향시킬 때에는 상기 조타감 튜닝부(30)에서 튜닝되어 출력되는 조타감(effort, 차속에 따른 스티어링 휠 무게감)이 저감되어 출력되고, 스티어링 휠을 우측으로 조향시킬 때에는 상기 조타감 튜닝부(30)에서 튜닝되어 출력되는 조타감(effort, 차속에 따른 스티어링 휠 무게감)이 증대되어 출력되도록 함으로써, 스티어링 휠 회전 0°에서의 조향감이 달라지는 것을 방지할 수 있고, 그에 따라 스티어링 휠의 좌우 조타감을 일정하게 구현할 수 있다.
반면, 상기 기어비 대칭축이 (+)방향으로 변동된 경우, 즉 기어비 대칭축을 중심으로 좌측 조향시 모터 토크가 작고, 우측 조향시 모터 토크가 큰 경우에는 운전자가 작은 힘(작은 조타력)으로 스티어링 휠을 우측으로 조향 가능하지만, 스티어링 휠을 좌측으로 조향시킬 때는 큰 힘(큰 조타력)이 들게 된다.
이에, 스티어링 휠을 우측으로 조향시킬 때에는 상기 조타감 튜닝부(30)에서 튜닝되어 출력되는 조타감(effort, 차속에 따른 스티어링 휠 무게감)이 저감되어 출력되고, 스티어링 휠을 좌측으로 조향시킬 때에는 상기 조타감 튜닝부(30)에서 튜닝되어 출력되는 조타감(effort, 차속에 따른 스티어링 휠 무게감)이 증대되어 출력되도록 함으로써, 마찬가지로 스티어링 휠 회전 0°에서의 조향감이 달라지는 것을 방지할 수 있고, 그에 따라 스티어링 휠의 좌우 조타감을 일정하게 구현할 수 있다.
12 : 조향 각속도 센서 14 : 모터 위치센서
16 : 토크 센서 20 : 조향 기어비 보상부
30 : 조타감 튜닝부

Claims (8)

  1. 조향 기어비 보상을 위한 입력요소로서 조향 각속도를 측정하는 조향 각속도 센서 및 모터 각속도를 측정하는 모터 위치센서;
    상기 조향 각속도 센서와 모터 위치센서의 신호를 기반으로 현재 조향 기어비를 계산하고, 계산된 현재 조향 기어비와 설계 사양에 따른 본래 조향 기어비를 비교하여 그 차이를 구하는 조향 기어비 보상부; 및
    상기 조향 기어비 보상부에서 구해진 현재 조향 기어비와 본래 조향 기어비 간의 차이를 입력받아 스티어링 휠의 조타감을 튜닝하여 출력하는 조타감 튜닝부;
    를 포함하고,
    상기 조향 기어비 보상을 위한 입력요소로서, 모터 토크를 측정하여 조향 기어비 보상부에 입력하는 토크센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 조향 기어비 보상 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 조향 기어비 보상부는 토크센서에서 측정된 현재 모터 토크와 설계 사양에 따른 본래 모터 토크 간의 차이를 계산하여 조타감 튜닝부에 더 보상 입력하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 조향 기어비 보상 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 조타감 튜닝부는 현재 모터 토크와 설계 사양에 따른 본래 모터 토크 간의 차이를 기반으로 스티어링 휠의 조타감을 튜닝하여 출력하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 조향 기어비 보상 시스템.
  5. 조향 기어비 보상을 위한 입력요소로서 조향 각속도 및 모터 각속도를 측정하는 단계;
    측정된 조향 각속도 및 모터 각속도 신호를 기반으로 현재 조향 기어비를 계산한 후, 계산된 현재 조향 기어비와 설계 사양에 따른 본래 조향 기어비를 비교하여 그 차이를 조타감 튜닝부에 보상 입력하는 조향 기어비 보상 단계; 및
    조타감 튜닝부에 입력된 현재 조향 기어비와 본래 조향 기어비 간의 차이를 기반으로 스티어링 휠의 조타감을 튜닝하여 출력하는 조타감 튜닝 단계;
    를 포함하고,
    상기 조향 기어비 보상 단계에서, 조향 기어비 보상을 위한 입력요소로서 현재 모터 토크가 입력되면, 현재 모터 토크와 설계 사양에 따른 본래 모터 토크 간의 차이를 구하여 조타감 튜닝부에 더 보상 입력하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 조향 기어비 보상 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 현재 조향 기어비는 측정된 조향 각속도를 모터 각속도로 나눈 값으로 계산되는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 조향 기어비 보상 방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 조타감 튜닝부는 현재 모터 토크와 설계 사양에 따른 본래 모터 토크 간의 차이를 기반으로 스티어링 휠의 조타감을 튜닝하여 출력하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 조향 기어비 보상 방법.
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